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Wechselstromtransformator mit Wicklungen aus supraleitenden Werkstoffen
Die Erfindung betrifft einen Wechselstromtransformator mit Wicklungen aus supraleitenden
Werkstoffen, wozu bereits vorgeschlagen wurde, solche Transformatoren toroidförmig
auszubilden mit gleichmäßig angeordneten Wicklungen ohne ferromagnetisches Material
im Feldraum und die Wicklungen selbst aus supraleitenden Werkstoffen herzustellen,
wie es F i g. 1 im Prinzip erkennen läßt. Solche Transformatoren besitzen nach außen
hin keine bzw. nur vernachlässigbar kleine Streufelder, so daß Wirbelstromverluste
in benachbarten metallischen Leitern oder Beeinflussungen benachbarter Leitungen
vermieden werden können. Um die elektrische Streuspannung klein zu halten und um
zu verhindern, daß im inneren Teil des Wicklungsraumes der Primär- und Sekundärwicklungen
magnetische Feldstärken entstehen, die über der Löschfeldstärke der supraleitenden
Wicklungsdrähte liegen - supraleitende Drähte können nämlich nur bis zu ganz bestimmten,
für das jeweilige Material und die Temperatur charakteristischen magnetischen Feldstärken
verwendet werden, wenn sie die Eigenschaft der Supraleitfähigkeit nicht verlieren
sollen -, wurde bereits bei Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen mit und
ohne Eisenkern weiterhin vorgeschlagen, die Primär- und Sekundärwicklungen eng miteinander
zu verschachteln bzw. zu vermaschen, so daß sich die von den Wicklungsströmen hervorgerufenen
Felder im wesentlichen, bis auf das resultierende Transformatorfeld, gegenseitig
aufheben.
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Die Herstellung solcher verschachtelter Wicklungen ist jedoch schwierig,
kostspielig und bewirkt einen schlechten Wickelfüllfaktor, weil wegen der einzuhalterrden
Prüfspannungsbedingung zwischen Primär- und Sekundärwicklung - besonders bei Hochspannungstransformatoren
- erhebliche Isolationsabstände zwischen den zur Niederspannungs-und Hochspannungswicklung
gehörigen Leitern vorgesehen werden müssen.
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Auch lassen sich im Hinblick auf die praktisch zugelassenen Magnetisierungsströme
bei Transformatoren in Ringbauweise ohne ferromagnetisches Material (F i g. 1) und
ebenso wegen des gleichmäßigen Feldstärkenverlaufes längs des ganzen magnetischen
Weges
(worin W die Wicklungszahl, L die mittlere magnetische Länge, 1 den
Strom bedeutet) im Vergleich zu Transformatoren mit Eisenkernen nur verhältnismäßig
sehr geringe Kraftflußdichten erreichen.
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Eine Verbesserung der Verhältnisse bei Transformatoren ohne Eisenkern
könnte unter Anwendung der gleichen Anzahl von primär und sekundär miteinander verschachtelten
Windungen bei gleichem Flußquerschnitt zwar erreicht werden, wenn die Wicklungen
nicht ringförmig wie nach F i g. 1, sondern nach Art eines Solenoides gemäß F i
g. 2 angeordnet werden. Bei gleicher Durchflutung 1 - W ist dann nämlich
die Feldstärke und Kraftflußdichte innerhalb der Wicklungen entsprechend dem viel
kleineren magnetisch in Reihe geschalteten Widerstand außerhalb der Wicklungen wesentlich
größer als im Falle einer Anordnung nach F i g. 1. Allerdings treten dabei wegen
des nach' außen tretenden Feldes in in der Nähe befindlichen Metallen Wirbelstromverluste
und in elektrischen Leitern starke Beeinflussungen auf, die eine solche Anordnung
nicht als zweckmäßig erscheinen lassen.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß die Räume, in
denen das magnetische Hauptfeld und gegebenenfalls auch die magnetischen Streufelder
zur Wirkung kommen, durch Hüllen aus supraleitenden Stoffen eingeschlossen bzw.
begrenzt sind, und macht von der Eigenschaft Gebrauch, daß magnetische Felder durch
supraleitende Körper nicht hindurchdringen können, solange ihre Feldstärke unterhalb
der Löschfeldstärke der supraleitenden Körper liegt. Es ergibt sich daher die Möglichkeit,
die magnetischen Haupt- und Streuflüsse durch zweckentsprechende Anordnung supraleitender
Bleche so zu umhüllen bzw. zu lenken, daß Wirbelstromverluste und Beeinßussunen
in Nachbarkörpern und -leitungen nicht auftreten und daß teure verschachtelte primäre
und kundäre Wicklungsanordnungen entfallen.
Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in F i g. 3, und zwar für einen Transformator ohne Eisenkern dargestellt.
Die primären und sekundären Transformatorwicklungen aus supraleitendem Werkstoff
sind hier in einfachster Weise als mehrlagig gewickelte Solenoidspulen Spl und Sp.,
ausgebildet, die wiederum durch supraleitende, geschlitzte Blechkästen K1, K, (Schlitze
Schl) so abgekapselt sind, daß die supraleitenden Bleche keine Kurzschlußwindungen
bilden. Der in ihrem Inneren entstehende resultierende Magnetfiuß 0, wird durch
Anordnung eines aus supraleitendem Blech bestehenden schachtelartigen, ringförmigen
Kastens K so umhüllt, daß er nach außen nicht austreten kann. Streuung nach außen
und die damit verbundenen Nachteile treten daher ebensowenig wie in toroidförmigen
Spulen entsprechend F i g. l auf. Durch entsprechende Bemessung der magnetischen
Querschnitte Al, Az, A3 ist es möglich, die Feldstärke und Kraftflußdichte
H und B
innerhalb des Magnetspulenbereichs - bei gleichem Wicklungsaufwand,
entsprechend obigen Ausführungen - größer als im Falle der F i g. 1 zu machen und
damit den Magnetisierungsstrom kleiner als dort zu halten. Der Transformator nach
F i g. 3 liegt dann hinsichtlich seiner Kraftflußdichten magnetisch zwischen denjenigen
der Transformatoren nach F i g. 1 und 2 und nähert sich dem Falle 2 um so mehr,
je größer die Räume innerhalb des supraleitenden Kastens, d. h. die Querschnitte
A_" As gehalten werden.
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Durch Einbau geeigneter supraleitender, dünner Blechzwischenlager
Z, z. B. Bleibleche, Niobiumbleche usw., innerhalb der Wicklungen ist es weiter
möglich, die inneren Wicklungslagen magnetisch so zu schirmen, daß sie nicht im
Feld der äußeren Wicklungslagen liegen. Eine Verschachtelung oder Vermaschung der
Wicklungen der Hochspannungs-und Niederspannungsspulen Spl, Spz zur Vermeidung des
Auftretens von Löschfeldstärken im inneren Wicklungsraum ist daher nicht mehr erforderlich.
Die Wicklungen können dsehalb mit Hilfe gewöhnlicher Wickelmaschinen billiger als
gewöhnliche Solenoidspulen ausgeführt werden. Das heißt, im Gegensatz zu der Anordnung
nach F i g. 1 sind Ringwickelmaschinen nicht nötig. Ebenso wie die die Windungen
umfassenden supraleitenden Kästen K1, K, müssen auch die Zwischenlagebleche Z durch
Schlitze Schl so unterbrochen werden, daß sie keine mit dem Haupt- oder Streufeld
verketteten Kurzschlußstromkreise bilden.
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Durch Vergrößerung der Wicklungslagen in axialer Richtung ist es leicht
möglich, das Auftreten von Löschfeldstärken an den Spulenenden zu verhindern.
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Die supraleitenden Zwischenlagen Z können z. B. als Folien, wie aus
F i g. 3 ersichtlich, entweder zwischen den einzelnen Wicklungslagen oder aber auch
so angeordnet werden, daß die Wicklungen in axialer Richtung in einzelne Abschnitte
unterteilt werden.
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Zur Sicherstellung der Bedingungen bezüglich Prüfspanunngsfestigkeit
ist eine entsprechende Isolation 1, der Hochspannungswicklung nötig. Durch entsprechende
Anordnung der Bleche kann das auftretende Streufeld durch Verlängerung des magnetischen
Weges (Vergrößerung des magnetischen Widerstandes), allerdings unter entsprechendem
Platzaufwand, verlängert und damit jede beliebige vorgeschriebene Streuspannung
erreicht werden. Eine solche Maßnahme ist in F i g. 4 beispielsweise dargestellt,
wo durch Anordnung entsprechender, voneinander durch Isolierschichten IS isolierter
supraleitender Bleche BI das Streufeld der Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen
Spl und Spe durch Vergrößerung der Länge der StreukraftIinien Strl, Str_ herabgesetzt
wird und damit auch die elektrischen Streuspannungen auf ungefähr den halben Wert
vermindert werden.
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Ein Transformator nach der Erfindung besitzt demnach gegenüber den
bisher vorgeschlagenen ringförmigen Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen
ohne Eisenkern wegen der Konzentration des Feldes auf ein kurzes Stück des magnetischen
Weges innerhalb der Spulen den Vorteil besserer Ausnutzung des Wicklungsmaterials.
Durch Anordnung von magnetischen supraleitenden Abschirmungsblechen innerhalb der
Wicklungen ist es weiterhin möglich, auf eine teure Verschachtelung bzw. Vermaschung
der Wicklungen zu verzichten. Ferner ist es, da durch die magnetischen Abschirmbleche
verhindert werden kann, daß die inneren Wicklungslagen sich im Magnetfeld der äußeren
Wicklungslagen befinden, möglich, bei gleichen supraleitenden Werkstoffen, d. h.
bei gegebener Löschfeldstärke der Wicklungen, höhere Ströme und damit höhere Leistungen
als bei den bisher bekannten Transformatoren zu erreichen.
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Der Einwand, daß durch die Anwendung der Schirmbleche die magnetische
Beanspruchung von den Leitern lediglich auf die Schirmbleche übertragen wird und
daß die Schirmbleche bei starken Magnetfeldern, denen die Leiter magnetisch nicht
gewachsen wären, unter dem Einfiuß dieser Felder ihre Fähigkeit zur Abschirmung
ebenso verlieren würden, trifft jedoch nicht zu, weil die Leiter im Gegensatz zu
den Schirmblechen durch die Lastströme auch noch zusätzlich magnetisch beansprucht
sind und deshalb gleich großen äußeren Feldern weniger gut als die Schirmbleche
widerstehen können.
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Wegen der Möglichkeit, an Stelle verschachtelter oder vermaschter
Wicklungen billigere und weniger Platz erfordernde gewöhnliche Wicklungen zu verwenden,
ist der Transformator nach der Erfindung auch den bekannten Transformatoren mit
supraleitenden Wicklungen und auf normaler Temperatur gehaltenem Eisenkern überlegen.
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Es ist natürlich auch möglich, durch entsprechende Ausbildung der
supraleitenden Umhüllungsbleche den Raum, in dem das Magnetfeld eingeschlossen ist,
nach Art eines Kerntransformators zu formen.
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Wie bei bekannten Transformatoren können die Spulen als Röhren- oder
Scheibenspulen ausgeführt werden.